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度、焊缝宽度的交互影响趋势。结果表明，激光功率和焊接速度对于两个响应傻的交 互影响较大，适当增加激光功率、减小焊接速度、增加夹具夹紧力和冷却时间有利于 提高焊接质量。通过预测值和实验值的对比发现，利耀响应曲薅法对焊接工艺参数进 行优化是合适的，数学模型的建立也比较准确。模拟预测出的最优值与实验验证值吻 合程度较高。 研究表明，通过响应丽法建立合适的模型对焊接参数进行优化可以显著提高焊接 质量。本文为塑料激光焊接的大规模、自动化生产应熙提供了实验指导，并给出? 可 供参考的工艺方法、理论依据。 基于模拟的聚仑物激光透射焊接t 艺参数优化研究摘要 关键词：激光透射焊接，热塑性塑料，焊接工艺参数，响应曲面优化方法 i i 作者：韦宏 指导老师：王传洋 o p t i m i z a t i o ns t u d yo fl a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h e r m o p l a s t i cb a s e do ns i m u l a t i o n a b s t r a c t o p t i m i z a t i o ns t u d yo fl a s e r t r a n s m i s s i o nw e l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h e r m o p l a s t i c b a s e do n s i m u l a 戗o n a b s t r a c t w i t ht h ee x p a n s i o no ft h ep l a s t i ca p p l i c a t i o n ，p e o p l eh a v ep a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt ot h et e c h n i q u eo fl a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n gt h e r m o p l a s t i cc o u r s ef o ri t s e x c e l l e n tw e l d i n gq u a l i t y 、e a s ym a n i p u l a t i o n 、h i 曲e f f i c i e n c y l a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n g t e c h n o l o g yh a sb e c o m e a ni r r e p l a c e a b l ew a yi nm a n ym a n u f a c t u r i n gs e c t o r sw h i c hn e e dt o b eh i g h l ys o p h i s t i c a t e d h o w e v e r , t h e r ea r ef e wd o m e s t i cs t u d i e so nt h i sr e s e a r c hs u b j e c t ， w h i c hr e s u l t si nh u g eg a po nt h e o r ya n di n d u s t r i a l i z a t i o nt o w a r d sa b r o a d t h e r e f o r e ， s t a r t i n g ar e s e a r c ho nl a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n go ft h e r m o p l a s t i ch a ss i g n i f i c a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e b e f o r es e l e c t i n gt h eo v e r l a pw e l d i n gw a yf o rw e l d i n gp o l y c a r b o n a t e ，t h ep a p e rs t u d i e d t h et h e r m a lb e h a v i o ro f t h e r m o p l a s t i c ( s u c ha sg l a s st e m p e r a t u r e 、v i s c o u sf l o wt r a i t s 、h e a t e x p a n s i o n ) b a s e do nt h em e c h a n i s mo fp l a s t i cl a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n g u s i n gt h e m e t h o do fe x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt or e s e a r c ht h ew e l d i n gp r o c e s sa n d a n a l y z et h er e s u l t s f i r s to fa 1 1 g e tt h et r a n s p a r e n ts a m p l e sa n dt h ea b s o r b e dp a r t sw h i c hh a s0 1 b l a c k c a r b o nc o n c e n t r a t i o nb yt h em o u n d i n gw a y , a n dc h e c ko u tt h e s es a m p l e sc a nb eu s e di n 1 a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n ga f t e rt h et r a n s m i t t a n c ee x p e r i m e n t t h e n ，b a s e do nt h eb o x - b e h n k e nd e s i g nt h e o r y , d e s i g nt h ee x p e r i m e n tp r o j e c tw i t h f o u rf a c t o r sa n de a c ho n eh a sf i v el e v e l s ，t a k et e n s i l es t r e n g t ha n dw e l dw i d t ha st h e r e s p o n s e s 。d e s t r u c t i v ew e l d i n g t e n s i l et e s ta n dm i c r o s c o p es n a p s h o ta r ed o n ea f t e rw e l d i n g 。 b ya n g l i c i z i n gt h er e s u l t sa n ds t u d y i n gt h ep h o t o so ft h ew e l d i n gs e a m ，w ec o u l df i n do u t t h ea i rv e n ta n dt h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o no ft h em a t e r i a la r et h ei m m e d i a t ec a u s e so ft h e l o ww e l d i n gt e n s i l e t h ee x o r b i t a n tl a s e rp o w e ro rt h et o ol o ww e l d i n gs p e e db o t hm a y c a u s et h ea b l a t i o np h e n o m e n o nh a p p e n ；t h el o wc l a m pf o r c ea n dt h es h o nc o o l i n gt i m eg o a g a i n s tt h es a m p l e sg e t t i n gt h ee f f e c t i v eb o n do nt h ew e l da r e a i i i a tl a s t ，t h ep a p e rh a sd e s i g n e dt h em a t h e m a t i cm o d e la n dd o n et h eo p t i m i z m i o n a n a l y s i s 。b ys t u d y i n gt h ef o u rf a c t o r s ( 1 a s e rp o w e r 、w e l d i n gs p e e d 、c l a m pp r e s s u r e a n d t h ec o o l i n gt i m e ) i n t e r a c t i v ei n f l u e n c et ot h et w or e s p o n s e s ( t e n s i l es t r e n g t ha n dt h ew e l d w i d t h ) ，w ec a nf i n do u tt h a tt h ep o w e ra n dt h ew e l d i n gs p e e da let h es m i e n c yf a c t o r s ， a p p r o p r i a t e l yi n c r e a s et h el a s e rp o w e r 、c l a m pp r e s s u r e 、c o o l i n gt i m ea p p r o p r i a t e l ya n d d e c r e a s et h ew e l d i n gs p e e di sp r o p i t i o u st or a i s et h eq u a l i t yo ft h ew e l d f r o mt h ec o n t r a s t o ft h ep r e d i c t e dv a l u ea n dt h ee x p e r i m e n t a lo n e ，t h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ( r s m ) i ss u i t a b l et oo p t i m i z et h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s 。t h em a t h e m a t i c a lm o d e l s a c c u r a c y h a sb e e np r o v e da n dt h eo p t i m u mv a l u ew h i c h p r e d i c tb yt h em o d e li sa l s oc o i n c i d ew e l l w i t ht h er e a le x p e r i m e n t s 。 t h i s s t u d ys h o w st h a tt h er s mc a r lm a k ea p p r e c i a b l ei m p a c to nt h ep r o c e s s p a r a m e t e r sf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h ew e l d e ds a m p l e s m o r e o v e r , t h es t u a ya l s op l a y ag u i d a n c ef o rt h ea u t o m a t e d 、m a s s i v ep r o d u c t i o n , a n dt h et e c h n i c a l 、t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rr e f e r e n c ea r eg i v e n i v w r i t t e nb y w e ih o n g s u p e r v i s e db yw a n gc h u a n y a n g 目录 第一章绪论。l 1 1 引言1 l 。2 热塑性塑料激光透射焊接囡内外研究现状2 1 2 1 国内外理论研究2 1 2 2 国内外产业化情况7 1 3 常用的激光焊接方式9 1 4 激光透射焊接塑料的研究意义1 2 l 。5 本课题研究的主要内容和方法l 毒 1 6 本章小结1 5 第二章熟塑性塑料激光透射焊接作用桃理研究l6 2 1 激光透射焊接的基本原理1 6 2 2 影响焊接质量的主要函素1 6 2 3 高分子聚合物的热学性能1 7 2 ，3 1 高分子热运动酶主要特点。l7 2 3 2 高聚物的力学状态和玻璃化转变1 8 2 3 3 高聚物的粘性流动。2 0 2 3 4 高聚物的其他热特性2 1 2 。4 透射焊接过程热流模型2 2 2 5 本章小结2 6 第三章激光透射焊接试验设计及结果分析2 7 3 1 试验研究2 7 3 。l 。l 激光器2 7 3 1 1 1 焊接激光器介绍2 7 3 1 1 2 本实验所用激光器。2 8 3 1 2 焊接材料2 9 3 1 2 1 常用塑料焊接材料2 9 3 1 2 2 实验用焊接材料3 0 3 1 3 吸收剂3 1 3 1 4 焊接夹具设计3 2 3 。1 。4 。l 夹紧力对激光透射焊接的影响3 2 3 1 4 2 实验用焊接夹具。3 3 3 。2 试l 牛制备3 4 3 3 试验方法设计3 6 3 。3 。1 响应曲面方法原理3 6 3 3 2b b d 试验方案设计。3 7 3 4 焊接样品强度测试。3 9 3 5 焊缝形貌分析4 0 3 6 本章小结4 3 第四章基予响应曲面法试验数学模型的建立和分析4 4 4 1d e s i g n e x p e r t 软件介绍。4 4 4 2 拉伸强度数学模型分析与工艺参数对拉伸强度的交互影响4 4 4 2 1 对拉伸强度模型分析4 4 4 。2 2 工艺参数对拉伸强度的影响4 6 4 3 焊缝宽度数学模型分析及工艺参数对连接区域宽度的交互影响5 l 4 。3 。1 连接区域宽度数学模型分析5 1 4 3 2 工艺参数对焊缝宽度的交互影响趋势5 3 4 4 最佳响应筐的预测及验证5 7 4 5 本章小结6 0 第五章总结与晨望。6 l 5 1 全文总结6 l 5 。2 研究与展望6 l 参考文献6 3 攻读学位絮闯本人出舨或公开发表的论著、论文6 8 致 封6 9 基于模拟的聚合物激光透射焊接t 艺参数优化研究第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 进入2 0 世纪以后，随着科技的进步和工业水平的迅速发展，塑料已经成为许多 领域不可或缺的材料。在人类利用合成方法制造出第一种塑料硝化纤维后，塑料及其 复合材料以重量轻、导热导电性能极低和较小的摩擦阻力等优点，被广泛的应用于航 空、船舶、汽车、电器、包装、玩具、电子等行业【l 】。作为一种工程材料，塑料成本 低廉，易于从石油炼化工业中获取，加工成型技术简单快捷，在很多场合下，利用工 程塑料替代传统的金属和非金属材料( 如玻璃、陶瓷、木材、钢铁、镁、铝等) 已成 为制造业节约成本、提高性能的可行选择。 然而，受制于注塑、挤出加工工艺方面的限制，很多形状和结构较为复杂的塑料 制品难以一次加工成型，需要二次或多次加工才能实现多个塑料零部件的无缝连接。 因此，连接工艺的选择成为了塑料及其复合材料成型的重要研究对象。根据塑料本身 具有加热软化、冷却硬化的特性，常用的连接方式包括利用螺钉紧固件进行固定的机 械连接方式和利用黏合剂将各部件连接的黏合剂黏结方式，以及通过加热界面处使其 熔融冷却连接的焊接方式等【2 1 。其中热焊接方式主要有：外加热焊接( 热气焊接、内 植阻抗焊接等) 、内加热焊接( 振动焊接、旋转焊接、摩擦焊接等) 、电磁内加热焊接 ( 高频焊接、红外或激光焊接、微波焊接) 等。 对于机械连接和黏合剂黏结，其原理和工艺较为简单，弊端也很明显。采用螺钉、 卡环等机械连接时，连接强度和表面质量不易达标；采用黏合剂黏结时，对部件表面 质量要求较高，通常需要增加表面打磨、涂胶、固化、休整等工序，效率低且质量难 以保证。摩擦焊接虽具有焊接质量高、适用域广、适合异种材料连接的优点，但对非 圆形截面的工件焊接较为困难。振动焊接的生产率高，工装简单，但焊接质量相对较 低。热气焊接对于大型、复杂的构件比较适合，但焊接速度慢。 可以看出，随着工程塑料的大量应用，传统的塑料连接方式已无法满足对产品外 观、连接强度和精度的要求，这时，激光焊接、超声波焊接等更加有效、先进、无污 染的新型连接技术必将受到青睐【3 1 。本文正是利用激光透射焊接方式，对聚碳酸酯材 第一鬻绪论基于模拟的聚合物激光透射焊接工艺参数优化研究 料进行焊接实验，并对其焊接强度和外观质量做了分析，实验表明激光焊接具有焊接 速度、精度和强度上的优势，以及自由灵活、无污染、免接触的优点，证明了激光焊 接技术可以应用于大规模集成化工业中，为工程塑料的应用前景做了有利的展望。 1 2 热塑性塑料激光透射焊接国内外研究现状 1 2 1 国内外理论研究 国外对激光焊接热塑性塑料的理论研究开展的比较早，同时也较为深入。研究涉 及的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 焊接工艺参数的研究 激光焊接热塑性塑料的过程受到很多因素的影响，如激光器的功率、焊接速度、 材料的种类以及厚度、夹具夹紧力、吸收剂的类别和使用方式等。就研究而言，为了 能够得出准确的分析结果，必须尽可能多的考虑备种因素的影响。从上世纪7 0 年代 起，大功率c 0 2 激光器开始应用在材料加工上，但由于受到塑料对不同激光波长吸收 性能的限制，c 0 2 激光器一般只用于焊接毫米级塑料薄片【4 】。丽大多数聚合物对波长 为近红外光( 8 0 0 n m - - 1 0 6 4 n m ) 的半导体激光器或n d ：y a g 激光器是相对透明的，所 以用这两种激光器进行焊接时，需要利震吸收剂来增加材料的吸光率瓣，奠。 1 9 7 0 年，s i l v e r s h j j r 、w a c h t e l l s 【6 】等人利用c 0 2 激光器进行激光焊接握料的研 究，主要研究了使用连续c d ，激光器对塑料薄膜打孔、焊接和切割过程。 1 9 8 7 年，n a k a m a t a e t i 根据焊接对象的不同，将激光透射焊接分为可透光塑料焊接 和可吸光塑料焊接两种。一般情况下，激光能量首先透过透明部件，在此过程中，一 部分栽量被吸收或困材料麴颜色、填充剂、晶体结构发生散射，其余的能量被吸光部 件所吸收。而后激光能量在吸收部件表面大量聚集，表面材料被加热熔化，通过夹紧 压力煞辅助，两部件被焊接在一起。 1 9 9 4 年j o n e si a 、t a y l o r n s 【8 】研究了用c 0 2 激光器焊接o 1 m m 厚的聚烯烃薄膜。 试验表明，焊接效率令人满意，最大焊接速度可以达到5 0 0 m m i n 。 2 基于模拟的聚合物激光透射焊接- t 艺参数优化研究 第一章绪论 2 0 0 0 年c o e l h o 4 1 等人设计了专用焊接夹具，研究了用两种c q 激光器焊接厚度为 1 0 0 “m 的热塑性塑料。 2 0 0 2 年k i m i t o s h i 9 】等人研究了使用搭接焊的方式焊接不同热塑性材料的特点，分 析了材料吸收激光能量程度与焊接强度值之间的关系。 2 0 0 3 年b e c k 1 0 】等人研究讨论了激光焊接技术应用于微机电系统上的可能性，并 找出了焊接参数和焊接强度值之间的关系。研究表明，该技术具有较高实际应用价值。 2 0 0 5 年k u r o s a k i 、d a u r e l i o 1 1 , 1 2 1 使用c q 激光器焊接聚丙烯和高密度聚乙烯样品， 分别采用不同方法对焊接样品进行强度测试，并做了对比。 2 0 0 6 年p r a b h h a k a r a n 、b a c h m a n n 1 3 , 1 4 1 等人使用半导体激光焊接设备，研究了热塑 性塑料的焊接工艺，讨论了焊接参数的优化方法。 为了评测热塑性塑料对激光透射焊接的适应性，需要考虑聚合物的基本光学特性 以及成分，比如助剂、改进剂、颜料等。当利用无定形聚合物作激光焊接透明试件时， 试件的厚度对激光透过率的影响不显著，当p c 透明件厚度在o 3 7 1 2 2 m m 之间时， 对半导体激光器( 波长8 1 0 n m ) 激光的透过光率约为9 0 ，当半导体激光器激光波长 为9 4 0 r i m 时，透明p c 试件的透光率可达8 5 。然而，具有光散射性能的聚合物的透 光率相对较低。对于二极管激光器所发射的波长为8 1 0 n m 的激光，1 5 2 m m 厚的高聚 乙烯材料透明试件的透光率仅为4 8 【1 5 , 1 6 。 k a g a n 1 7 】等人利用n d ：y a g 激光器对以尼龙材料为主的塑料激光焊接做了研究， 实验发现，当短玻纤质量分数从0 增加到6 3 时，厚度为3 2 m m 的试件透光率从6 7 下降到2 1 ，对尼龙材料来说，影响其透光率的主要因素有玻璃纤维含量、抗冲改进 剂、添加剂和颜料。对于大部分热塑性材料来说，焊接优化程度取决于材料的性能、 零件的设计以及焊接工艺条件。 w w d u l e y 、q u 、r e m u e l l e r t l 8 】等人使用c q 激光器进行热塑性塑料的激光透射 焊接。研究了激光功率、夹具夹紧力和焊接时间等工艺参数对h d p e 和p p 两种材料 焊接强度的影响，实验表明，在多种参数条件下，试件的焊接强度都能达到所需值。 作者采取类似于焊接金属的方式焊接1 5 r a m 的聚乙烯和聚丙烯材料，为了完成所期 望的穿透效果，将激光束聚焦在试件焊缝处，沿着所期望的焊缝移动光斑，用反复实 3 第一辩绪论摹于模拟的聚含物激光透射烬接t 岂参数优化研究 验的方法完成所期望的穿透深度，同时保证材料的表面温度在分解温度以下。 k a b e f s 的搿坶】等人研究了添绷炭黑对激光焊接热塑性塑料的影响。使用的是 n d ：y a g 激光器，结果表明，炭黑的浓度和粒子的大小对焊缝强度都有较为显著的影 响，高浓度炭黑和较小的粒子尺寸对焊接强度的提高有明显作用。 俄亥俄州立大学的d o n g 2 0 】研究了炭黑含量对材料吸收激光辐射能量的影响，研 究发现，炭黑作为吸收剂来说，浓度并非越高越好，在其文中0 0 7 的炭黑含量可达 到焊接最优值，并可利用焊接过程参数来调整。 m a r y n as p e k a 、s i m o n em a t t e i 2 l 】等入依据米式教射理论和蒙特卡罗法，撼述了激 光束在半透明介质中的传播情况以及两种材料的接触面上的激光能量分布情况。利用 有限元方法模拟了两部件焊接区的温度场，通过红外热成像系统进行实际测量。作者 将c o r i a 实验室开发出来的一个混合编码程序进行了一定的调整和修改，使之与实 际的试验条侉耀吻合，并应用于本研究。研究显示，所开发的程穿可以有效连结合米 式散射理论和蒙特卡罗法德模拟方法，充分发挥其精度性高的优点，很好地将激光在 半透明介质中的衰减程度进行量纯。 g e n t e x 公司的c l e a r w e l d 激光焊接工艺使用了一种新型材料，能够显著提高对激 光能量的吸收性麓。该工艺采用的吸收剂，对近红外激光的吸收性能突出，可采焉表 面涂覆方式将该吸收剂覆盖在焊接件表面，或者将其混合于热塑性原材料中注塑成 型。 在激光焊接过程中，该材料迅速吸收激光能量同时转换为热能，使待焊接件表面 熔化，冷却詹自然结合，达到焊接的蟊的。c l e a x w e l d 工艺的出现，扩大了激光焊接 技术的使用范围，使得各种刚性或者软质塑料、透明的或不透明的，甚至各种颜色不 透明的塑料制品，都可以透过激光焊接进行熔接。同时，该工艺还表现出更好的设计、 工程及制造灵活性，焊接过程的实现也更容易、更具经济性【2 2 1 。 国内方面，对于激光焊接的理论研究较多的集中在高校和科磅单位。 2 0 0 0 年，张胜玉【2 3 】对激光焊接的条件、原理和工艺、应用及各种优点，指出了通 过添加适当的吸收剂和选择正确的塑料材料以及激光参数，能够成功的进行塑料激光 焊接，证实了激光焊接是一种可行的、有效的塑料焊接方法。 2 0 0 3 年，陈谣曲涝】研究了激光焊接系统，利用所研发的系统将有机玻璃p 黼和 4 基于模拟的聚合物激光透射焊接_ t 艺参数优化研究第一章绪论 聚丙烯p p 材料成功的焊接在一起。 2 0 0 4 年，华中科技大学激光技术研究院的赖建军【2 5 】等人研究了塑料芯片的红外激 光键合实施条件和键合过程，利用半导体激光键合实验装置，实现了有机玻璃芯片的 激光键合。 2 0 0 5 年袁晖【3 】等人研究并建立了半导体激光焊接系统，在此平台上进行了激光焊 接热塑性塑料实验，研究了不同颜色有机玻璃材料组合的激光焊接的可能性，并对焊 接试件做了强度测试，结果可以达到预期目标。 2 0 0 6 年王友良、崔瑛【2 6 】等人将聚丙烯材料合透明有机玻璃与黑色a b s 塑料进行 搭焊，取得了较好的焊接效果，同时得到了一系列有很好参考价值的工艺参数。 江苏大学的王霄、张惠中2 7 1 等人则对吸收剂做了较详细的研究，试验了不同吸收 剂对塑料激光透射焊接结果的影响，并针对实验过程设计了专用夹具。实验用吸收剂 分两种，黑色薄膜和黑色涂层。探讨了薄膜的厚度对材料吸收激光辐射能量的程度的 影响和炭黑浓度对热量吸收的影响，最后对两种方式得到的结果作对比，发现黑漆涂 层的效果要优于黑色薄膜。 2 0 0 8 年王建超【2 8 】等人研究了p m m a a b s 热塑性塑料激光透射焊接工艺，并研究 了夹具和能量密度对焊接结果的影响。王霄3 9 3 0 】等则全面阐述了基于全息技术的热塑 性塑料激光透射焊接方法，并做了深入的理论研究。试验采用c l e a r w e l d 吸收剂，对 聚氯乙烯和聚苯乙烯塑料进行焊接实验，对焊接样品做了拉伸强度测试和切片观测， 分析了各工艺参数对拉伸强度和焊缝宽度的影响，得到了焊接最佳工艺参数，确定了 各影响因素之间的相对显著性。 2 0 1 1 年，苏州大学王传洋等人研究了激光透射焊接聚碳酸酯塑料的工艺，通过 正交实验法对焊接工艺参数做了优化分析，找出了实验条件下p c 材料的最佳焊接工 艺参数，并研究分析了各个工艺参数的影响程度。 总的来说，国外对激光塑料的焊接的理论研究比较深入，范围也较广，包括焊接 工艺参数、焊接方式、吸收剂等。但研究焊接的激光器大多为c 0 2 激光器，但受到塑 料材质厚度的限制，要焊接更厚的材料，就必须使用到n d ：y a g 固体激光器或者大功 率半导体激光器。国内方面，研究的深度不够，焊接材料也较为单一，对工艺参数的 研究较为集中，利用软件优化方面的资料还较少。 第一辩绪论基于模拟的聚合物激光透射焊接工艺参数优化硪究 ( 2 ) 激光微焊接研究 激光是一种特殊的光，但同样具有光的一般憔震。h a b e r s 昀h 【3 2 】等人在德国亚琛 大学塑料加工所( i n s t i t u t eo f p l a s t i c sp r o c e s s i n g i k v ) 对微部件的激光焊接做了研究。 在宏观焊接参数的基础上，选择了适当的焊接参数，实现了微部停的激光焊接。 2 0 0 5 年c h e r t 3 3 1 等人研究了微流体塑料件焊接系统，系统精度值较高，可达2 # m 。 焊接过程采鬻麓# 接触式方式，焊接质量较高。同时对系统的加工特点做了详细介绍， 展望了利用该系统进行大批量生产的前景。 2 0 0 5 年g r e w e l l l 3 4 1 等人利用衍射激光进行了尺寸小予5 0 0 # m 的塑料微焊接。 h u s t e d t 3 5 1 等人研究了激光用于微部件修补和小零件焊接的可行性。对无掩膜和有 掩膜两种条件下的焊接件进行了测试，讨论了不同情况下激光功率、激光聚焦位置、 焊接扫描速度对焊接质量的影响。 受制于透射焊接微小零件的难度和焊接参数的难以控制，就目前来看，激光透射 微焊接还是一个较为新颖的领域，国内外对此研究的资料较少，技术掌握还不够熟练。 但随着科技的进步和研究的深入，微观领域对高质量焊接的需求无疑将极有利于这类 课题的研究的发展。 ( 3 ) 实验模拟研究 利用有限元等方法对激光透射焊接实验过程进行仿真模拟，可以预测基较佳的焊 接参数，对实验有很强的指导作用。 激光在材料透明部分柬流剖嚣的分布类型取决予本身的光学性震。以n d ：y a g 激 光器为例，通常取决予激光器光头和能量传递的方式( 如透镜传播和光纤传播) ，光 束则一般呈嵩斯分布。c h e r t 、m a y b o u d i 3 6 7 1 等人研究了激光能量的分布以及瘟用， 如小孔摄像头、c c d 相机等。 a t 勰a s o v 渊、s a t o 蚓、b e d k e r t 4 0 1 等入建立了焊接过程数学模型，剩焉模拟鞠实验 相结合的方法对焊接工艺参数进行研究，结果显示模拟数据和实验数据能够较好的吻 合。其中，s a t o 等人利用了有限元方法和二维稳态模型热传导方法模拟了p s 和p m m a 材料搭接透射焊接时的温度场分布；b e c k e r 等则研究了含炭黑质量分数0 1 o 3 的p p 材料激光焊接温度场分布模型，将材料对激光能量的吸收系数俸为拟合参数， 将热影响区域的模型预测值和实际值做了对比。 6 基于模拟的聚合物激光透射焊接t 艺参数优化研究第一章绪论 英国t w i 研究所结合c l e a r w e l d 塑料焊接工艺，设计开发了预测吸收剂用量的软 件。可以将激光器的参数和光波透过率与不同材料的厚度、颜色、吸收率等因素综合 考虑，在焊接前利用软件计算出吸收剂的用量和添加方式，对焊接过程和材料使用起 到了很大优化作用。 1 2 2 国内外产业化情况 对于塑料的激光焊接技术，国外不仅在理论上做了深入的研究，在实际运用方面 也发展较快，主要体现在激光设备研发、汽车工业以及医疗方面的应用。 目前欧洲的l e i s t e r 、r o f i n 、b i e l o m a t i k 、b r a n s o n 等公司技术较为成熟，在激光设 备生产领域处于领先地位。 瑞士的l e i s t e r 公司的n o v o l a s 生产线，利用高功率二极管激光器和周线焊接技术、 同步焊接技术、同步掩膜焊接技术，涵盖了塑料激光焊接的各种场合。公司研发了世 界首个无需夹持装置的3 d 塑料球形焊接系统，通过一个无摩擦的玻璃球空气轴承进 行聚焦。既可以利用球形透镜聚焦激光能量，也可以在粘结面上直接施加机械压力。 r o f i n 公司是欧洲已经开发出专门用于焊接塑料激光焊接系统的几家公司之一。 公司产品主要包括用于材料切割、焊接、表面改性处理的半导体激光器、固体激光器 和c q 激光器及各种激光器系统。同时，公司还向客户提供支持服务，帮助用户提高 加工效率和设计适用于产品的激光焊接系统4 2 1 。图1 1 展示了r o f i nb a s e l 激光公司 的p e r f o r m a n c e 焊接设备。 b i e l o m a t i k 公司的l a s e r - t e c 系统采用功率7 0 , - 一2 5 0 w 的n d ：y a g 激光器，采用了 高速扫描镜，可以快速焊接部件。该系统的最大可焊接区域为5 6 0 x 2 8 0m m 。目前已 应用于多个工业领域。 b r a n s o n 公司推出的红外组合法( i r a m ) 激光焊接设备，使用增量可调的二极管 激光器，系统按规格大小可分为小型( 1 5 0 4 5 0 w ) 、中型( 6 0 0 - 9 0 0 w ) 以及大型 ( 9 0 0 - 1 3 5 0 w ) 三种。 7 第一章绪论基于模拟的聚合物激光透射焊接工艺参数优化研究 图1 - 1r o f m 手动激光焊接设备 f i g 1 1i b f h lp e r f o r m a n c el a s e rw e l d i n gm a c h i n e 在汽车工业上，激光焊接技术应用的也十分广泛，例如汽车电子锁钥匙，便是最 早的应用之一。而后，激光塑料焊接技术在汽车自动进气管的电动机驱动机构和中央 锁系统、变速箱、安全气囊等多个部位也发挥了很大的作用。 丰田汽车公司早在1 9 8 5 年就将塑料激光焊接技术用于发动机零部件的焊接加工。 现在已广泛应用在发动机的进气管、燃油箱断流阀、车灯等部件上【4 3 1 。 通常为了提高发动机的性能，进气管上会使用可调吸气阀，为此需要螺栓固定以 及密封垫圈防止漏气。采用激光焊接方法，不仅可以保证极好的气密性，同时降低了 了螺栓、垫圈、密封圈的使用成本。 利用激光焊接断流阀，可以省去了连接法兰，减轻了结构负载，提高了装载系能。 汽车的车灯则更适合使用激光焊接，因为激光焊接变形小，被广泛的应用于易受 变形影响的零部件焊接，如图1 2 所示。 国内产业化方面，九十年代初，国内在薄膜的高速封装上首次应用了封闭式c 0 2 激光器。改变了传统系统过于笨重的缺点，使其具有更大的灵活性。通过光斑大小的 改变即可形成不同尺寸的封口，而且速度快。 基于模拟的聚合物激光透射焊接工艺参数优化研究 第一章绪论 图i - 2g i o b o 球面焊接汽车灯 f i g 1 2t a i l l i g h tb yg l o b ow e l d i n g 2 0 0 3 年华工激光研制的国内首台大型在线式焊接成套设备通过验收。该设备集激 光切割、焊接和热处理于一身，使我国华工激光成为世界上第四家能够生产此类设备 的企业。 1 3 常用的激光焊接方式 ( 1 ) 同步焊接 同步焊接方式是指焊缝处同时受到一束或多束激光照射辐射，可根据焊接区域形 状定制相应的激光头，一般要求焊接区域形状呈对称分布，如圆形等。同步焊接的激 光束来源于多个二极管激光束，它们同时作用在焊接区域的轮廓线上，通过熔化焊接 区域以达到焊接效果。同步焊接的原理示意图见图1 3 。该方法可以很好的应用于平 面焊接，利用光束整形部件，也可以应用在球面的曲线焊接上。通过光学部件调整和 控制光束，使激光辐射能量在焊缝上均匀分布 4 4 1 。同步焊接的缺陷在于它的镜头必须 要根据工件的焊接区域形状进行定制。 函 第一章绪论基于模拟的聚合物激光透射焊接工艺参数优化研究 图1 - 3 同步焊接 f i g 1 - 3s i m u l t a n e o u sw e l d i n g 图l _ 4 轮廓焊接 f i g 1 - 4c o n t o u rw e l d i n g 图1 - 5 准同步焊接图1 - 6 掩膜焊接 f i g 1 - 5q u a s i s i m u l t a n e o u sw e l d i n gf i g 1 6m a s kw e l d i n g ( 2 ) 轮廓焊接 轮廓焊接又叫顺序型轴线焊接，是指需要焊接的零件和激光束按照制定好的路线 进行相对移动而完成的焊接。相对移动通过旋转轴、线性轴或机器人来完成，随着路 径的前进，焊接材料依次融合从而完成焊接【4 5 1 ，其原理图如图1 4 所示。这种方式的 焊接，焊缝宽度范围从产生零点几到几毫米，取决于激光模式和聚焦系统。 ( 3 ) 准同步焊接 1 0 基于模拟的聚合物激光透射焊接工艺参数优化研究 第一章绪论 准同步焊接是一种结合了轮廓焊接和同步焊接的焊接方式，如图1 5 所示。相对 于其他焊接方式，准同步焊接的激光束扫描速度更快，焊接区域的受热更为同步，对 焊缝的加热更加均匀，并且减轻了焊接过程中飞溅现象的产生。虽然采用这种焊接方 式容易受到电镜扫描范围的限制，零件尺寸也不能过大，但可以通过采用多个电镜的 方法来实现较大零件的焊接，准同步焊接方式已大量应用于汽车传感器电子零件焊接 卜【蜘 lo ( 4 ) 掩膜焊接 通过在激光源和待焊接件之间植入薄膜而进行的焊接方式被称为掩膜焊接。呈线 状分布的激光束辐射到焊接区域，借助掩膜使激光束精确地作用在待焊接区域，如图 1 6 所示。掩膜焊接的优势在于可以根据实际需要的焊缝结构来设计掩膜，达到精确 焊接的目的。由于薄膜的精